植物天冬氨酸蛋白酶的研究進(jìn)展

葛偉娜 李超 張家琦 張嵐 王振怡

（華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，唐山 063009）

植物天冬氨酸蛋白酶的研究進(jìn)展

葛偉娜 李超 張家琦 張嵐 王振怡

（華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，唐山 063009）

天冬氨酸蛋白酶是四大類蛋白水解酶之一，廣泛存在于多種生物中，參與了很多重要的生理過程。相對于其他生物而言，對植物天冬氨酸蛋白酶的研究相對滯后。自20世紀(jì)末以來，這一領(lǐng)域的工作取得了重大進(jìn)展。經(jīng)典的植物天冬氨酸蛋白酶除了具有保守的蛋白酶結(jié)構(gòu)域外還有一段植物特有的插入片段；在動植物分離之后，植物天冬氨酸蛋白酶基因家族進(jìn)行了大規(guī)模的擴(kuò)增；該類蛋白酶在植物的整個生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要的功能，尤其是脅迫反應(yīng)、有性生殖、衰老和程序性死亡以及蛋白質(zhì)的加工和降解。對近些年植物天冬氨酸蛋白酶的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

天冬氨酸蛋白酶；加工和滅活機(jī)制；脅迫反應(yīng)；有性生殖；程序性死亡

天冬氨酸蛋白酶（Aspartic proteinases，APs；EC3.4.23）是一類以天冬氨酸殘基作為催化活性位點的蛋白水解酶，該類蛋白酶在新合成時都是以單鏈的酶原形式存在，經(jīng)過加工形成具有催化活性的蛋白酶單體或異源二聚體［1］。APs廣泛存在于各種生物中，包括脊椎動物、植物、酵母、線蟲、綠藻及病毒等，很多重要的蛋白酶都屬于此類蛋白酶，如胃蛋白酶（Pepsin）、腎素（Renin）、組織蛋白酶D（Cathepsin D）、逆轉(zhuǎn)錄病毒蛋白酶（HIV-1 proteinase）等。在MEROPS（http：//merops.sanger. ac.uk/）數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)APs氨基酸序列的同源性、進(jìn)化關(guān)系以及蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，將該類蛋白酶分成了6個類群，16個家族，其中，植物APs主要分布在AA類群中的A1和A11家族，少數(shù)在AC和AD類群中［2］，并且在多物種、多組織中都鑒定到了植物APs［3-6］。與動物APs類似，植物APs也是在酸性pH中有活性，大部分能被胃蛋白酶抑制劑特異性抑制。相對于動物來說，人們對植物APs的研究相對滯后一些，然而，自20世紀(jì)末，越來越多的植物APs被人們所鑒定和認(rèn)識，人們發(fā)現(xiàn)植物APs也有一些自己特異的結(jié)構(gòu)和功能。本文將對近些年APs的研究結(jié)果做一全面總結(jié)和歸納，旨為全面認(rèn)識該領(lǐng)域及推進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展提供一定的現(xiàn)索。

1 植物天冬氨酸蛋白酶的一般結(jié)構(gòu)

對目前所鑒定到的植物APs的氨基酸序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其前體結(jié)構(gòu)具有一些共同特征，如圖1所示，典型的植物APs前體一般都具有以下結(jié)構(gòu)域：N端的信號肽、前片段（Prosegment）、N端結(jié)構(gòu)域、植物特有的插入片段（Plant specific insert，PSI）、C端結(jié)構(gòu)域以及兩個催化基序Asp-Thr-Gly（DTG）和Asp-Ser-Gly（DSG）［7］。除了典型的植物APs外，近些年還鑒定到一些植物APs沒有PSI結(jié)構(gòu)域，但具有典型APs所包含的其他結(jié)構(gòu)域，如大麥珠心細(xì)胞中的nucellin［8］，煙草葉綠體中的CND41［9］，擬南芥和水稻中的CDR-1［10，11］等，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和序列的相似性，進(jìn)一步被分為兩大類，一類為nucellinlike的APs；另一類被稱為非典型的APs［7］。

圖1 植物天冬氨酸蛋白酶的一般結(jié)構(gòu)

目前只有兩個APs的三級結(jié)構(gòu)被解析：Cardosin A的成熟形式［12］和phytepsin的前體［13］，兩個蛋白酶都屬于典型的APs，成熟形式都是雙鏈蛋白酶，其三級結(jié)構(gòu)與A1家族中的非植物成員有類似的折疊方式，包括β折疊，多個α螺旋，兩個肽段組成兩個球形結(jié)構(gòu)，催化活性位點位于兩個球形結(jié)構(gòu)的中間，連接活性位點與球形結(jié)構(gòu)的兩段肽段比較靈活，允許合適的底物進(jìn)入到催化裂口與活性位點相接觸，從而決定著APs的底物特異性［1，14］。

2 植物APs特有的結(jié)構(gòu)——PSI

典型的植物APs前體幾乎都有一個約100個氨基酸組成的蛋白序列，稱為植物特有的插入片段PSI。該片段位于植物APs前體的C端，在蛋白酶成熟的過程中PSI被裂解去除形成二聚體，也有部分APs保留了PSI形成單體APs［15］。在動物和微生物的APs中沒有PSI序列的同源片段，但是該序列與鞘脂激活蛋白樣蛋白（Saposin-like protein，SAPLIP）高度相似。重組的StAsp-PSI的三維結(jié)構(gòu)被解析了，發(fā)現(xiàn)PSI含有6個保守的半胱氨酸殘基，三維結(jié)構(gòu)顯示有5個兼性的α-螺旋，這些螺旋通過3個二硫鍵連接在一起形成一個致密的球形結(jié)構(gòu)。此外，還有一些疏水殘基和一些糖基化位點［15］。但是隨后的研究發(fā)現(xiàn)，PSI并不是一個真正的saposin-like 結(jié)構(gòu)域，而是saposin-like 結(jié)構(gòu)域的N端和C端交叉后形成的新結(jié)構(gòu)，因此又稱作swaposin 結(jié)構(gòu)域［13，16］。計算機(jī)模擬分析顯示，植物PSI已經(jīng)形成了一種新的不同于SAPLIP 家族的三級結(jié)構(gòu)［17］。

PSI有哪些功能呢？人們根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點推測可能具有與SAPLIP家族相似的功能，如指引蛋白定位于囊泡，裂解細(xì)胞膜，參與防御反應(yīng)等。事實上，近些年的實驗也證明了PSI確實具有上述功能。在煙草原生質(zhì)體的瞬時表達(dá)實驗中，將phytepsin中的PSI刪除后，導(dǎo)致變短的phytepsin分泌到胞外，而野生型的phytepsin一直在囊泡中累積，因此推測PSI與APs的前體從高爾基體到囊泡的分選有關(guān)［18］。土豆StAsp中的PSI能夠以劑量依賴的方式殺死兩種病原菌，這是由于PSI能與病原菌的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜直接接觸，導(dǎo)致細(xì)胞膜的滲透性增強(qiáng)最終使得細(xì)胞裂解病原菌死亡［19］。而最新結(jié)果顯示StAsp-PSI導(dǎo)致細(xì)胞膜不穩(wěn)定的主要原因是與細(xì)胞膜結(jié)合的時間而非濃度［20］，這之間的矛盾還需要更多的實驗來證明。另外，番茄中的lycoAP-PSI和食蟲草中的NaAP4-PSI也通過破壞細(xì)胞膜的方式參與了植物的病原菌防御反應(yīng)和細(xì)胞死亡時的自溶過程［21，22］。目前PSI的酵母表達(dá)體系已經(jīng)建立，這對于更深入的研究PSI抗菌性具有非常重要的意義［23］。

PSI的不同功能是由什么決定的呢？對StAsp-PSI的序列分析顯示它與番茄中的lycoAP-PSI和食蟲草中的NaAP4-PSI一致性最高［19］，而與蛋白分選類的PSI序列的一致性較低，如prophytepsin中的PSI［13］，這些結(jié)果暗示著PSI的功能與氨基酸的組成有關(guān)系。Terauchi等［24］為了驗證PSI的功能，在擬南芥懸浮細(xì)胞的原聲質(zhì)體中瞬時表達(dá)了去除PSI的soyAP1和soyAP2的GFP融合蛋白，結(jié)果soyAP1的亞細(xì)胞定位與野生型并無區(qū)別，仍然定位于囊泡中，而soyAP2則發(fā)生了變化，突變后的soyAP2有時定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)偶爾運輸?shù)侥遗葜校治鰏oyAP1和soyAP2的序列發(fā)現(xiàn)二者的一致性只有40%，再次證明了PSI的功能與氨基酸的序列有關(guān)。

3 植物天冬氨酸蛋白酶的加工和滅活機(jī)制

絕大多數(shù)植物APs必須經(jīng)過一系列的加工才能從無活性的酶原形式變成有活性的蛋白酶。APs前體的加工主要包括信號肽、前片段和PSI的去除［1］。根據(jù)目前所得到的證據(jù)，植物APs至少有3種加工方式，一種是類Procardosin A的方式，即在加工過程中，PSI先于前片段被去除，并且是完全去除，大量成熟蛋白在囊泡中聚集，因此推測其PSI的去除可能是在囊泡中通過自我剪切的方式來完成的［25］。第二種是類Prophytepsin的加工方式，在加工過程中Prophytepsin只有部分PSI被去除，而且代謝標(biāo)記實驗和免疫沉淀實驗都顯示，前片段先于PSI被裂解掉［18］，體外實驗所獲得的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物與體內(nèi)檢測到的產(chǎn)物有些不同，因此推測phytepsin的成熟除了自激活機(jī)制外，可能還需要其他蛋白酶或裂解酶的輔助［26］。第三種加工方式類似于畢赤酵母中重組cyprosin的激活，其前體通過切除前片段和大部分的PSI形成不同形式的中間產(chǎn)物，成熟cyprosin的重鏈和輕鏈通過二硫鍵結(jié)合在一起，人們推測該二硫鍵可能是由宿主細(xì)胞中的其他蛋白酶催化形成的，而非cyprosin的自激活方式［27］。對于植物APs的加工，除上述3種方式外也許還存在其他的加工形式，但這些需要人們有更多的實驗數(shù)據(jù)來證明。

根據(jù)prophytepsin三維結(jié)構(gòu)，Kervinen等［13］提出一個植物APs滅活的機(jī)制，該機(jī)制類似于動物胃蛋白酶酶原的鈍化機(jī)制。在胃蛋白酶的前體中催化活性位點被前片段所阻擋，而在prophytepsin中，催化活性位點不僅被前片段所阻擋，成熟酶N端的13個氨基酸殘基也參與了阻擋［28］。前片段和N端氨基酸通過離子鍵與活性位點裂口處的Lys11/Tyr13相結(jié)合，阻擋了位于裂口底部的活性位點與底物的結(jié)合，從而阻止催化過程的發(fā)生［28］。很多植物APs都含有一個與prophytepsin Lys11/Tyr13位置相似的Lys/Tyr序列，如刺苞菜薊中的cyprosin，暗示著可能存在相似的鈍化機(jī)制。然而，cardosin A、cardosin B的前片段和成熟酶的N端不存在上述序列，而且生化研究顯示，重組 procardosins 是有活性的［1］。這些實驗結(jié)果證明植物APs還存在其他模式的滅活機(jī)制。

4 植物APs基因的多樣化

隨著基因組測序技術(shù)的提高，越來越多的植物APs基因被人們檢測到［5］，在擬南芥基因組中，大約有69個編碼天冬氨酸蛋白酶的基因［29］，在水稻基因組中，人們檢測到96個AP樣基因［30］，在葡萄基因組中，大約有50個AP樣基因［31］。另外，在剛剛測序完成的3個麥屬物種中也找到多個編碼AP的基因，如大麥中有50多個，小麥A基因組中有70多個，小麥D基因組中也有50多個（文章待發(fā)表）。比較有趣的是，在人類基因組中只有8個基因編碼AP［32］，線蟲中有12個編碼AP的基因［33］。可見，在動植物分離后，植物基因組中AP基因家族進(jìn)行了大規(guī)模的擴(kuò)增。通過對水稻中APs基因的染色體定位分析發(fā)現(xiàn)，水稻中的96個AP基因，93個能找到其在染色體上的物理位置，大約36個基因在染色上成簇存在，23個基因形成12對分布于染色體上，因此推測可能是基因的串聯(lián)重復(fù)和染色體的片段重復(fù)促進(jìn)了水稻AP基因家族的擴(kuò)增［30］。對水稻APs基因的組織表達(dá)定位分析發(fā)現(xiàn)其在根、莖、葉、花粉和種子等多個組織中表達(dá)，其亞細(xì)胞定位分析也顯示在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外都有定位，因此推測植物APs基因的功能也發(fā)生了多樣化。但是關(guān)于其功能多樣化的機(jī)制還不是很清楚。

5 植物APs的功能

雖然很多植物中都檢測和純化到了APs，但是對于其功能的了解并不像動物和微生物中那樣清楚。近些年，隨著模式植物擬南芥和水稻基因組測序的完成，以及基因突變體庫的建立，人們利用遺傳學(xué)手段，對部分植物APs的功能進(jìn)行了詳細(xì)研究?？偟膩碚f，植物APs主要在以下幾個生理過程中發(fā)揮著重要的作用，即防御反應(yīng)、有性生殖過程、衰老和程序性死亡以及蛋白質(zhì)的儲存和降解。

5.1 脅迫反應(yīng)

植物在生長發(fā)育過程中可能會受到病原菌、干旱、洪澇、鹽堿等多種生物和非生物因子的脅迫，實驗證明植物APs在兩種脅迫反應(yīng)中都發(fā)揮著重要作用。如擬南芥和水稻中的CDR1（Constitutive disease resistance）過表達(dá)能提高植株對病原菌的抵抗［10，11］，而擬南芥中的AED1與CDR1的功能相反，對系統(tǒng)獲得性抗病能力起抑制的作用［34］。土豆中的StAP1和StAP3對病原菌有毒害作用［35］，同時還能引起人類Jurkat T 細(xì)胞的凋亡，這使其有可能用于癌癥的治療［36］。擬南芥中的ASPG1是植物APs參與非生物脅迫的一個典型例子，ASPG1只在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，ABA誘導(dǎo)ASPG1表達(dá)，ASPG1關(guān)閉氣孔防止水分流失，同時激活抗過氧化物酶以保護(hù)擬南芥免遭過氧化物的傷害［37］。除此之外，人們在菜豆［38］、菠蘿［39］、蕎麥［40］等物種中鑒定到一些響應(yīng)非生物脅迫的天冬氨酸蛋白酶，證明該類酶幫助植物積極的應(yīng)對可能遇到的逆境脅迫。

5.2 有性生殖

Huang等［41］在水稻中鑒定到一個天冬氨酸蛋白酶OsAP65，亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示該蛋白定位于細(xì)胞內(nèi)的囊泡中，該基因的缺失導(dǎo)致花粉萌發(fā)和花粉管的生長受到抑制，最終導(dǎo)致雄配子體的敗育。另外，在擬南芥花粉萌發(fā)產(chǎn)生的分泌蛋白中，也鑒定到一個天冬氨酸蛋白酶，后期的遺傳學(xué)實驗證明，該基因的缺失降低了花粉的萌發(fā)率，暗示著該基因也參與了擬南芥的有性生殖過程［42］。

5.3 衰老和程序性死亡

煙草中的CND41基因編碼一個不含PSI的非典型的AP，該蛋白定位于質(zhì)體，能夠降解葉片中的Rubisco，且降解產(chǎn)物作為氮源提供給新生組織［43］。CND41的突變使得煙草葉片推遲衰老，因此推測CND41可能通過降解質(zhì)體中的蛋白來參與植物的衰老過程［43］。

最近有很多實驗證明植物APs參與了細(xì)胞的程序性死亡，如擬南芥中的PCS1，PCS1的功能缺失使得植物細(xì)胞過度死亡，不能形成有活性的花粉，胚胎也不能正常的發(fā)育；而PCS1的過度表達(dá)又使得花藥的裂口和隔膜處的細(xì)胞不能正常死亡，推遲了花藥的開裂，不能實現(xiàn)受精過程［44］，因此PCS1的表達(dá)水平對擬南芥的正常發(fā)育至關(guān)重要［45］。最近，張啟發(fā)課題組發(fā)現(xiàn)控制秈稻與粳稻雜種不育的S5位點的 ORF5基因編碼一個天冬氨酸蛋白酶，該基因能夠引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的脅迫，使得未成熟的細(xì)胞提前進(jìn)入程序性死亡，最終導(dǎo)致植物敗育［46，47］。

5.4 蛋白的加工和降解

植物APs參與蛋白質(zhì)的加工和成熟在很早的時候就有報道，如蓖麻種子中的AP在體外能夠?qū)ro2S白蛋白的前肽進(jìn)行部分加工，亞細(xì)胞定位實驗顯示二者共定位于蛋白儲存囊泡中，因此有人提出蓖麻子的APs可能參與了pro2S白蛋白前體的成熟過程［48］。類似的結(jié)果在擬南芥種子中也有報道［49］。

植物APs對蛋白質(zhì)的降解，最典型的例子就是食蟲植物中的APs，如豬籠草，其AP分泌到消化罐中降解捕獲的昆蟲，降解產(chǎn)物則為其生長提供所需要的氮源［50，51］。除此之外，在種子萌發(fā)過程中，植物APs會通過降解儲備蛋白促進(jìn)種子的萌發(fā)［52］。例如，星苞矢車菊中的AP主要在種子開始萌發(fā)時才開始表達(dá)，因此推測其功能可能主要是降解儲備蛋白以供萌發(fā)需要［53］。

6 展望

近年來，關(guān)于植物APs的研究取得了很大的進(jìn)展，尤其是在植物APs的功能研究方面，通過遺傳學(xué)實驗證明其在植物的很多生理過程中發(fā)揮著重要的作用。但是還有很多問題尚未解決，如與動物相比，植物中的APs是如何實現(xiàn)功能多樣化的，植物APs的靶蛋白是什么，如此多的APs又是如何區(qū)分識別各自的靶蛋白的，對于這些問題的回答需要更多的研究，而回答好這些問題將有助于進(jìn)一步認(rèn)識植物APs對植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)作用，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯狄艷紅）

Research Advances on Plant Aspartic Proteinase

GE Wei-na LI Chao ZHANG Jia-qi ZHANG Lan WANG Zhen-yi
（College of Life Sciences，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009）

Aspartic proteinases constitute one of four super-families of proteolytic enzymes， and are widely distributed in varied living organisms and involved in many biological processes. Compared with other organisms， the research on plant aspartic proteinases is relatively lagging behind. Since the end of last century， significant progress has been made in this area. Except conserved proteinase domain， typical plant aspartic proteinases have a specific insert only in plant. After the separation of plant and animal， the gene family of aspartic proteinases has expanded largely；these proteinases play important role in whole progress of plant growth and development， especially in stress response， sexual reproduction， senescence and programmed cell death， and the processing and degradation of protein. In this context， the research advances in plant aspartic protease is reviewed and its future development is prospected.

aspartic proteinase；processing and inactivation mechanism；stress response；sexual reproduction；programmed cell death

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.003

2015-03-27

唐山市科技計劃項目（14130274a），河北聯(lián)合大學(xué)培育基金（GP201304），河北聯(lián)合大學(xué)博士啟動基金（2710101150）

葛偉娜，女，博士，講師，研究方向：蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)；E-mail：gwn-06@163.com